Nhà vật lý lừng danh Frank Close kêu gọi hãy thận trọng trước khi chúng ta từ bỏ thuyết tương đối và chuẩn bị du hành ngược thời gian.
Frank Close, Guardian, 2/9/2011
http://www.guardian.co.uk/science/2011/sep/24/einstein-e-equals-mc2
Một phần đồ thị giải thích thí nghiệm neutrino của Cern .
Thực hiện: Giulio Frigieri
Một chủ quán nói: "Xin lỗi, ở đây chúng tôi không phục vụ các neutrino," khi một neutrino bước vào một quán rượu.
Đây là một mẩu trên twittet được tạo hứng bởi những tin rằng các neutrino – các hạt hạ-nguyêntử ma quái – có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nếu thế thì tiểu thuyết khoa học viễn tưởng có thể trở thành sự thật khoa học, với những nghịch lý tuyệt vời như hậu quả có trước nguyên nhân. Một thí dụ có thể lấy làm điểm nút đi trước câu chuyện (nếu, giống như tôi, bạn cần một thời gian để giải mã câu đùa này)
Là một nhà khoa học tôi lớn lên với niềm tin vào qui luật này của tự nhiên: cái duy nhất chuyển động nhanh hơn ánh sáng là một tin đồn. Câu chuyện rằng các nhà khoa học ở Cern, phòng thí nghiệm các hạt kích thước lớn của châu Âu nằm gần Geneva, hình như đã tạo ra được các neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng, thu hút chú ý trên các mục tin sáng thứ Sáu trong khi tôi còn nửa thức nửa ngủ và dường như là thí dụ cuối cùng của qui luật này.
Nhưng khi tôi thức dậy, câu chuyện này vẫn không chịu ra đi, tôi bắt đầu hoảng sợ rằng khéo tôi phải viết lại cuốn Neutrino của tôi mất, dường như nó đã nhanh chóng bị các sự kiện vượt qua rồi. Niềm an ủi duy nhất của tôi là việc xét lại này có thể chỉ là một cơn rùng mình nhẹ trong sự thay đổi không thể tưởng tượng nổi trong hiểu biết của chúng ta về cuộc sống, vũ trụ và, thật vậy, mọi thứ, nếu điều tuyên bố này hóa ra là đúng. Các cuốn sách giáo khoa vật lý trong các thư viện trên thế giới có lẽ sẽ thành sai; nền tảng của khoa học có lẽ sẽ vỡ vụn: các hạt di chuyển nhanh hơn ánh sáng, có khả năng mang thông tin, có lẽ sẽ thay đổi mọi thứ. Vậy, cái gì đang xảy ra và tại sao nó quan trọng như vậy?
Thuyết tương đối của Einstein là một trong những cuộc cách mạng lớn của tư tưởng thế kỷ 20 và có thể cho rằng cấu trúc lý thuyết lớn nhất của trí tuệ loài người. Khi Isaac Newton xây dựng các định luật về chuyển động trong thế kỷ 17, ông tưởng tượng không gian và thời gian như một cái khuôn vô hình, chúng ta chuyển động qua nó mà không làm thay đổi chúng. Chiếc máy gõ nhịp cứ tích tắc đều đều khi chúng ta chuyển động qua không gian ba chiều tĩnh tại vĩnh cửu. Quan niệm của Einstein là không gian và thời gian là lỏng, quấn bện vào nhau, bị tác động bởi chuyển động của chúng ta: bạn chuyển động càng nhanh thì bạn càng lâu già. Điều này có nhiều hàm ý tuyệt vời, như câu chuyện khó hiểu về những trẻ sinh đôi – hai anh em sinh đôi giống nhau như đúc, một người ở nhà còn người kia bỏ ra một năm di chuyển qua một khoảng cách lớn với tốc độ cao và trở về nhà thông minh hơn, nhưng ngạc nhiên làm sao, trẻ hơn người anh em của mình.
Sự kiện không gian và thời gian là đàn hồi, giãn ra và cong đi đồng thời với di chuyển của chúng ta là kỳ bí, nhưng chắc chắn là thật. Một chùm các hạt ở Cern, chuyển động chỉ với một phần tốc độ ánh sáng, đến đích của chúng đúng giờ chỉ khi tính vi tế của thuyết tương đối được đưa vào tính toán. Các vệ tinh GPS định vị bạn một cách chính xác, nhưng phải đưa số học của Einstein vào các phép tính. Một số thí nghiệm ở Cern nhất trí với những tiên đoán của thuyết tương đối chính xác đến một phần tỷ tỷ – tức là đo khoảng cách vượt Đại Tây Dương chính xác đến bề rộng của một sợi tóc người – nhưng chỉ khi có xem xét đến tính tượng đối.
Chắc chắn là đối với các nhà khoa học, và đối với nhiều người trong chúng ta, điều này có thể là đáng ngạc nhiên, nhưng thuyết tương đối của Einstein cần để theo dõi công việc hằng ngày của chúng ta.
Albert Einstein tin rằng không gì có thể vượt qua tốc độ ánh sáng
Ảnh : Philippe Halsman/AFP
Những cái ấy thì có gì liên hệ vớ tốc độ ánh sáng?
Lâu đài của Einstein được xây dựng trên một sự kiện thực nghiệm: tốc độ ánh sáng độc lập với chuyển động của bạn. Dù bạn đang chuyển động về phía nguồn sáng hay ra xa nó, hay đang đứng yên, không có gì quan trọng: tốc độ ánh sáng là phổ quát. Nó trái với trực giác. Một chiếc xe đang lao nhanh vượt qua một chiếc xe chậm hơn từ từ hơn nó vượt một người quan sát đứng bên lề đường; tuy nhiên, một tia sáng vượt qua mọi vật như nhau – những người quan sát hay Lewis Hamilton sẽ đo được cùng một tốc độ. Chắc chắn là trái với trực giác, nhưng đúng thật, và nó dẫn đến thế giới quan của Einstein. Và một trong những kết quả cơ bản của lý thuyết Einstein là tốc độ ánh sáng – trong chân không – là giới hạn tốc độ của tự nhiên. Không gì có thể di chuyển qua chân không nhanh hơn ánh sáng.
Cern đã lật đổ được hệ hình này chưa? Tôi nghi ngờ điều đó. Ánh sáng di chuyển trong nước, thủy tinh, ngay cả không khí, chậm hơn qua khoảng chân không. Các sóng radio cũng vậy. Bởi vậy ánh sáng có thể chậm lại, nhưng không nhanh lên được: chân không là con đường mở của tự nhiên nơi ánh sánh di chuyển với tốc độ giới hạn. Chúng ta cần thận trọng khi hỏi thí nghiệm của Cern đã làm chính xác điều gì, hay, thích hợp hơn, nó đã làm điều đó như thế nào?
Cern tạo ra chùm hạt neutrino, những hạt ma quái có thể đi qua trái đất dễ dàng như một viên đạn xuyên qua màn sương. Một chùm hạt đi xuống qua bề mặt trái đất theo một đường thẳng, ban đầu bề mặt trái đất cong lên cuối cùng cong xuống cho đến khi, sau 730 km, đến được Gran Sasso, một phòng thí nghiệm gần Rome, chùm neutrino chụm lại. Hành trình này mất khoảng 1/500 giây.
Nếu bạn có thể bắn một tia sáng qua Trái Đất, nó sẽ đến trong cùng khoảnh khắc với neutrino – nếu neutrino di chuyển với tốc độ ánh sáng – hay đến trước nó một chút (nếu neutrino di chuyển chậm hơn ánh sáng) nhưng không muộn hơn, vì điều đó có nghĩa là neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nếu chúng ta có thể làm thí nghiệm ấy, nó sẽ rõ ràng như thế. Vấn đề là, chúng ta không thể làm. Trái Đất có thể cho neutrino xuyên qua, nhưng ánh sáng không xuyên qua được nó.
Nếu chúng ta biết khoảng cách từ Cern đến Rome đủ chính xác, và thời gian neutrino cần để đi đến đó, thì tỉ lệ khoảng cách trên thời gian – kilomet trên giây – cho ta tốc độ. Thật ra đó là việc mà thí nghiệm đã làm, nhưng điều này không dễ hiểu.
Đo thời gian đến độ chính xác nano-giây đòi hỏi tính toán thời gian mà các tín hiệu điện tử cần để chuyển qua các mạch điện, thành các kết quả đọc được và tiếp tục đến các phần xa hơn của một liên hợp các máy đếm, các chip máy tính và vô số đường đi của thế giới nano. Nếu bạn có tất cả những phép đo này, và nếu chúng thật ra là tất cả những điều bạn cần biết, thì bạn có thể xác định quãng thời gian đã trôi qua – với ít nhiều không chắc chắn. Đây là điều họ đã làm. Tuy nhiên, nếu có một bế tắc bất ngờ, không được nhận biết và tính đến, thì việc tính thời gian có thể sai đi vài nano-giây.
Rồi còn có phép đo khoảng cách. Cần xác định khoảng cách với độ chính xác 10 centimet trên 730 km - và hình như điều này khoa đo đạc có khả năng làm được. Nhưng chính xác việc này được tiến hành như thế nào thì, ít ra đối với tôi, vẫn còn là một trong nhiều bí mật trong thí nghiệm này. Chắc chắn người ta không thể đo bằng thước dây, ngay cả nếu có một chiếc như thế có độ chính xác đến kích thước nguyên tủ. Việc gửi một tín hiệu lên vệ tinh tại khoảnh khắc neutrino rời Cern, rồi trả nó xuống thiết bị nhận ở Rome, và so sánh cái nào đến trước, và đến trước bao lâu, có những khó khăn riêng của nó. Tốc độ của các sóng radio qua khí quyển bị ảnh hưởng bởi các từ trường, và bởi những hiện tượng khác; nó khác xa với một tia radio đơn giản đi qua chân không với "tốc độ ánh sáng."
Tôi dám cá rằng một sai lầm khó nhận biết trong khoảng cách hoặc thời gian đo được dễ xảy ra hơn việc tỉ lệ của chúng – tốc độ suy ra – vượt quá giới hạn tốc độ của Einstein.
Rốt cuộc thì giới tự nhiên biết các câu trả lời và chúng ta phải tìm ra chúng bằng các thí nghiệm. Nếu có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng – trong chân không – thì dù có bao nhiêu nhà khoa học nói "không" cũng không thành vấn đề: chân lý sẽ tự lộ ra. Và nếu nó là đúng? Thì tôi sẽ viết lại cuốn Neutrino và thay thế e-mail bằng nu-mail (neutrino-mail) – như thế nhanh hơn.
